3-贝叶斯决策理论
统计学中的贝叶斯统计和决策理论
统计学中的贝叶斯统计和决策理论统计学是研究数据收集、分析和解释的学科，而贝叶斯统计和决策理论是统计学中的两个重要分支。
贝叶斯统计理论是一种基于贝叶斯定理的统计推断方法，而决策理论则关注如何在面对风险或不确定性时做出最佳决策。
一、贝叶斯统计1. 贝叶斯理论的基本思想贝叶斯统计理论是以英国数学家Thomas Bayes的名字命名的，其基本思想是通过先验知识和新收集的数据来进行参数估计。
与传统频率统计不同，贝叶斯统计将概率看作是描述人们对不确定性的信念，通过更新这些信念来进行推理。
2. 先验概率和后验概率在贝叶斯统计中，先验概率是在考虑新数据之前已经拥有的关于参数的概率分布。
随着新数据的不断积累，我们可以更新先验概率，得到后验概率，从而更加准确地估计参数的值。
3. 贝叶斯公式贝叶斯公式是贝叶斯统计的核心公式。
根据贝叶斯公式，我们可以计算参数的后验概率，从而基于数据来更新我们对参数的估计。
4. 贝叶斯推断的优点和应用贝叶斯统计有一些独特的优点。
首先，它允许我们将先验知识与数据结合，从而得到更加准确的推断。
此外，贝叶斯统计还可以通过使用先验概率来处理缺乏数据的情况。
贝叶斯统计在各个领域中都有广泛的应用，包括医学诊断、金融风险评估和机器学习等。
二、决策理论1. 决策理论的基本概念决策理论是研究在面对不确定性和风险时如何做出最佳决策的学科。
决策问题涉及到选择行动和评估不同行动的后果。
决策理论包括概率理论、效用理论和风险管理等概念。
2. 概率理论在决策中的应用概率理论是决策理论中的一项重要概念，它用于描述事件发生的可能性。
决策者可以使用概率理论来估计不同决策的结果，并在不确定性下做出合理的决策。
3. 效用理论和决策权衡效用理论是决策理论中的另一个关键概念，它描述了个体对不同结果的偏好程度。
根据效用理论，决策者可以根据结果的效用来评估不同决策的价值，并选择效用最大化的决策。
4. 风险管理和决策优化决策理论还涉及到风险管理和决策优化。
统计学中的贝叶斯统计与决策理论
统计学中的贝叶斯统计与决策理论统计学中的贝叶斯统计学是一种基于贝叶斯公式和概率论原理的统计推断方法。
它与传统的频率主义统计学方法相比，具有许多独特的优势。
本文将介绍贝叶斯统计学的基本原理、应用领域以及与决策理论的关系。
一、贝叶斯统计学的基本原理贝叶斯统计学是由英国数学家托马斯·贝叶斯提出的，它基于概率论的贝叶斯公式：P(A|B) = P(B|A) * P(A) / P(B)，其中P(A|B)表示在给定B发生的条件下A发生的概率，P(B|A)表示在给定A发生的条件下B 发生的概率，P(A)和P(B)分别表示A和B分别发生的概率。
贝叶斯统计学的基本原理是根据已有的先验知识和新的观测数据，通过不断更新概率分布来得出对未知参数的后验概率分布。
通过贝叶斯公式，可以将观测数据与已有知识相结合，得出对未知参数的概率分布，从而进行推断和预测。
二、贝叶斯统计学的应用领域贝叶斯统计学广泛应用于各个领域，包括医学、金融、生物学、工程学等。
其应用主要体现在以下几个方面：1. 参数估计：贝叶斯统计学通过考虑先验信息，对参数进行估计。
与传统的频率主义统计学方法相比，贝叶斯统计学能够更好地利用已有的知识，提供更准确的参数估计。
2. 假设检验：贝叶斯统计学提供了一种新的方法来进行假设检验。
通过计算后验概率与先验概率的比值，可以得到对不同假设的相对支持程度，从而在决策时提供更全面的信息。
3. 预测分析：贝叶斯统计学通过更新概率分布，可以对未来的事件进行预测。
这使得贝叶斯统计学在金融风险预测、天气预报等领域有着广泛的应用。
三、贝叶斯统计学与决策理论的关系贝叶斯统计学与决策理论密切相关。
决策理论主要研究如何在不确定情况下做出最优决策。
而贝叶斯统计学可以为决策提供一个统一的框架，通过计算不同决策的后验概率，从而选择概率最大的决策。
在贝叶斯决策理论中，需要考虑多个可能的决策结果以及每个决策结果的概率。
通过使用贝叶斯统计学中的贝叶斯公式，可以将观测数据与已有知识相结合，计算每个决策结果的后验概率，从而选择概率最大的决策。
贝叶斯决策理论
P(1 | x) if we decide 2 P(error | x) P( 2 | x) if we decide1
显然，对于某个给定的x，采用上述规则可以使错误概率最
小。 问题是，这一规则能够使得平均错误概率最小吗？
2最小错误率的贝叶斯决策
平均错误概率：
P(error) P(error, x)dx P(error | x) p( x)dx
1 引言
后验概率：一个具体事物属于某种类别的概率， 例如一个学生用特征向量x表示，它是男性或女 性的概率表示成P(男生|x)和P(女生|x)，这就是 后验概率。由于一个学生只可能为两个性别之一， 因此有P(男生|x)+P(女生|x)=1的约束，这一点是 与类分布密度函数不同的。后验概率与先验概率 也不同，后验概率涉及一个具体事物，而先验概 率是泛指一类事物，因此P(男生|x)和P(男生)是 两个不同的概念。
4贝叶斯决策的评价
局限性：
（1）它需要的数据多，分析计算比较复杂，特别在解决 复杂问题时，这个矛盾就更为突出。 （2）有些数据必须使用主观概率，有些人不太相信，这 也妨碍了贝叶斯决策方法的推广使用。
R R( (x) | x) p (x)dx
显然，如果对于每个x 我们都选择 小，则总风险将被最小化
(x) 使得
R(i | x)
最
3最小风险的贝叶斯决策
相关数学表达
3最小风险的贝叶斯决策
一般损失函数可由决策表给出：
3最小风险的贝叶斯决策
步骤
• 计算后验概率： P(i | x)
贝叶斯决策理论
2014年12月15日
1 引言
把x分到哪一类最合理？理论基础之一是统 计决策理论。 决策：是从样本空间S，到决策空间Θ的一 个映射 贝叶斯决策就是在不完全情报下，对部分 未知的状态用主观概率估计，然后用贝叶 斯公式对发生概率进行修Байду номын сангаас，最后再利用 期望值和修正概率做出最优决策。
第2章_贝叶斯决策
R1
R1
21 p 1 p x 1 dx 22 p 2 p x 2 dx
R2
R2
11 p 1 (1 p x 1 dx) 21 p 1 p x 1 dx 12 (1 p 1 ) p x 2 dx
R2
R2
R1
22(1 p 1 )(1 p x 2 dx)
R1
最小最大决策准则
Neyman-Pearson准则
❖ 对两分类问题，错误率可以写为：
Pe p x R1, x 2 p x R2, x 1
p x | 2 p2 dx p x | 1 p1 dx
R1
R2
p x | 2 dx p2 p x | 1 dx p1
R1
R2
p2 e p2 p1 e p1
策即为最小风险贝叶斯决策
最小风险准则
最小风险准则
❖ 对于贝叶斯最小风险决策，如果损失函数为“01损失”，即取如下的形式：
i wj
0, 1,
for i j ; i, j 1,
for i j
,c
那么，条件风险为：
c
R i x i j P j x P j x 1 P i x
❖ 贝叶斯决策的两个要求
各个类别的总体概率分布 (先验概率和类条件概 率密度) 是已知的
要决策分类的类别数是一定的
引言
❖ 在连续情况下，假设对要识别的物理对象有d种特征
观察量x1,x2,…xd，这些特征的所有可能的取值范围 构成了d维特征空间。
❖ 称向量 x x1, x2, , xd T x Rd 为d维特征向量。
p 2 p 1
似然比公式
最小错误率准则
❖ 特例1：
最小错误率准则
第二章 贝叶斯决策理论—第三次课
第2章 贝叶斯决策理论
第2章 贝叶斯决策理论
本章内容
2.1 分类器的描述方法 2.2 最大后验概率判决准则 2.3 最小风险贝叶斯判决准则 2.4 Neyman-Person判决准则 2.5 最小最大风险判决准则 2.6 本章小结
第2章 贝叶斯决策理论
2.2 最大后验概率判决准则 (基于最小错误率的贝叶斯决策准则)
第2章 贝叶斯决策理论
2.5
第2章 贝叶斯决策理论
最小风险贝叶斯判决受三种因素的影响： 类条件概率密度函数p(x|ωi) ； 先验概率P(ωi) ； 损失（代价）函数λ(αj, ωi) 。 在实际应用中遇到的情况： – 各类先验概率不能精确知道； – 在分析过程中发生变动。 这种情况使判决结果不能达到最佳，实际分类器的平均损 失要变大，甚至变得很大。
第2章 贝叶斯决策理论
2.4 Neyman-Person
第2章 贝叶斯决策理论
最小风险贝叶斯判决准则使分类的平均风险最小, 该准则需要什么条件？
最大后验概率判决准则使分类的平均错误率最小, 该准则需要什么条件？
N-P准则在实施时既不需要知道风险函数，也不需 要知道先验概率。
第2章 贝叶斯决策理论
最大后验概率判决准则使分类的平均错误概率最小。 最小风险贝叶斯判决准则使分类的平均风险最小。 可是, 在实际遇到的模式识别问题中有可能出现这样 的问题: 对于两类情形, 不考虑总体的情况, 而只关注某 一类的错误概率, 要求在其中一类错误概率小于给定阈 值的条件下, 使另一类错误概率尽可能小。
因为两类情况下, 先验概率满足:
P(1) P(2 ) 1
第2章 贝叶斯决策理论
R R1 [(1,1)P(1) p(x | 1) (1,2 )P(2 ) p(x | 2 )]dx R2 {(2 ,1)P(1) p(x | 1) (2,2 )P(2 ) p(x | 2 )}dx
贝叶斯决策理论课件
期望风险R反映对整个特征空间上所有x的取 值采取相应的决策(x)所带来的平均风险。
条件风险R(i|x)只是反映对某一观察值x，
采取决策i时，所有类别状态下带来风险的 平均值。
显然，我们要求采取的一系列决策行动(x) 使期望风险R最小。
如果在采取每一个决策或行动时，都使其条件 风险最小，则对给定的观察值x作出决策时，其 期望风险也必然最小。这样的决策就是最小风 险贝叶斯决策。其规则为：
p(x 1)P(1)dx p(x 2 )P(2 )dx
R2
R1
P(1)P1(e) P(2 )P2 (e)
对应图中黄色和 橘红色区域面积
px
|
1
dx
px
|
2
dx
R2
R1
对多类决策（假设有c类），很容易写出相应的最小 错误率贝叶斯决策规则：
形式一：
如果P( x) max P( x)，则x
它是在c个类别状态中任取某个状态j时，采
用决策i的风险(i|j)相对于后验概率 P(j/x)的条件期望。
▪ 观察值x是随机向量，不同的观察值x，采取 决策i时，其条件风险的大小是不同的。所 以，究竟采取哪一种决策将随x的取值而定。
▪ 决策看成随机向量x的函数，记为(x), 它 也是一个随机变量。我们可以定义期望风险R：
(i
,
j
)
0 1
i j i j
i, j 1, 2, , c
此时的条件风险为：
c
c
R(i x) (i , j )P( j x) P( j x)
j1
j1
i j
表示对x采取决策i的条件错误概率
所以在0-1损失函数时，使
贝叶斯决策理论在金融风险控制中的应用
贝叶斯决策理论在金融风险控制中的应用I. 引言随着金融市场的不断发展和日益复杂化，风险控制问题变得越来越重要。
如何在金融交易中合理评估风险，并采取有效的风险控制手段已成为金融业各个领域所关注的重要问题。
而贝叶斯决策理论作为一种有效的风险评估与判断工具，逐渐在金融领域得到应用。
II. 贝叶斯决策理论概述贝叶斯决策理论是在给定先验概率的条件下，根据实验结果来更新后验概率的理论。
换句话说，它是一种对不确定性进行量化的方法。
贝叶斯决策理论最早主要应用于统计学领域，但随着信息技术和计算能力的不断提升，它也逐渐运用到了金融领域。
III. 贝叶斯决策理论在金融风险评估中的应用在金融领域，贝叶斯决策理论可以用来估计资产收益率、评估信用风险、预测市场波动性等。
下面就以金融风险评估为例，介绍贝叶斯决策理论在金融领域的应用。
1. 贝叶斯网络模型贝叶斯网络模型是利用变量之间的依赖关系构建的一种概率性图。
在金融风险评估中，这种模型可以帮助分析家和其他投资者了解资产关联以及特定事件对这些资产的影响。
例如，在利用贝叶斯网络模型分析股票市场时，将价格乘以基本面变量（例如企业数据）之后，在使用模型之前，可以设定一个先验概率分布。
此时，可以使用历史数据训练模型，以优化先验分布并得到更准确的分析结果。
在股票市场风险评估中，贝叶斯网络模型可以帮助投资者根据不同的信息和事件来预测未来的风险。
2. 贝叶斯风险度量贝叶斯风险度量是另一种利用贝叶斯理论进行风险评估的方法。
它可以评估交易的风险、资产定价模型以及对波动性进行预测等。
例如，在股票市场中，如果一个交易员想要买进或卖出股票，他可以使用贝叶斯风险度量来预测这个决策的结果及其风险。
贝叶斯风险度量还可以去除市场噪音因素，形成更准确的市场风险评估。
3. 在投资组合中的应用通过将贝叶斯决策理论应用于投资组合中，可以计算不同的资产组合的期望收益和风险。
这种方法可以帮助投资者提高投资组合的效率和有效性。
(最新整理)贝叶斯决策理论与统计判决方法
13
例：统计模式识别
19名男女同学进行体检，测量了身高和体重，但事后发现 其中有4人忘记填写性别，试问（在最小错误的条件下） 这4人是男是女？体检数值如下：
2021/7/26
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例：统计模式识别
• 待识别的模式：性别（男或女） • 测量的特征：身高和体重 • 训练样本：15名已知性别的样本特征 • 目标：希望借助于训练样本的特征建立判别函数（即数学模型）
2021/7/26
9
例：鱼的分类
分类判决的代价： • 错判的代价和具体应用有关。 • 究竟是鲈鱼混进鲑鱼罐头好，还是鲑鱼混进鲈鱼罐头好？
– 鲑鱼混入鲈鱼罐头：损失利润 – 鲈鱼混入鲑鱼罐头：丢掉客户 • 决策和“总体代价”相关联。做决策就是使得所付出的 代价最小。
2021/7/26
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例：鱼的分类
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基于最小错误率的贝叶斯决策
一般说来，c类不同的物体应该具有各不相同的属性，在d维特征空间， 各自有不同的分布。当某一特征向量值X只为某一类物体所特有，即
对其作出决策是容易的，也不会出什么差错。问题在于出现模棱两可的 情况。此时，任何决策都存在判错的可能性。这里讨论的是使错误率为 最小的决策方法，称为基于最小错误率的贝叶斯决策理论。
2021/7/26
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基于最小错误率的贝叶斯决策
最小错误率是在统计的意义上说的，请注意其含义。
在这里要弄清楚条件概率这个概念。P(*|#)是条件概率的通用符号，在 “|”后边出现的#为条件，之前的*为某个事件，即在某条件#下出现某 个事件*的概率。P(ωK|X)是表示在X出现条件下，样本为ωK类的概 率。
2021/7/26
21
“概率论”有关概念复习
S
贝叶斯决策理论
g(x)
判别计算
阈值单元
决策
贝叶斯决策理论
2.3 正态分布时的统计决策
重点分析正态分布情况下统计决策的原因是： ①正态分布在物理上是合理的、广泛的 ②正态分布 数学表达上简捷，如一维情况下只
有均值和方差两个参数，因而易于分析
贝叶斯决策理论
贝叶斯决策理论
目标：所采取的一系列决策行动应该使期 望风险达到最小
手段：如果在采取每一个决策时，都使其 条件风险最小，则对所有的 x 作决策时， 其期望风险也必然达到最小
决策：最小风险Bayes决策
贝叶斯决策理论
最小风险Bayes决策规则：
其中
采取决策
贝叶斯决策理论
最小风险Bayes决策的步骤
2.2.6 分类器设计
要点： • 判别函数 • 决策面（分类面） • 分类器设计
贝叶斯决策理论
决策面（分类面）
对于 c 类分类问题，按照决策规则可以把 d 维特 征空间分成 c 个决策域，我们将划分决策域的 边界面称为决策面（分类面）
贝叶斯决策理论
判别函数
用于表达决策规则的某些函数，则称为判别 函数
E{ xi xj } = E{ xi } E{ xj }
贝叶斯决策理论
相互独立
成立
成立？？ 多元正态分布的任
不相关
意两个分量成立！
贝叶斯决策理论
说明：正态分布中不相关意味着协方差矩阵
是对角矩阵
并且有
贝叶斯决策理论
④边缘分布(对变量进行积分)和条件分布(固定变 量)的正态性
⑤线性变换的正态性
y=Ax A为线性变换的非奇异矩阵。若 x 为正态分布，
《贝叶斯决策理论》PPT课件
p (x )~ N (, )
多元正态分布的性质
等密度点的轨迹是超椭球面
R 1
R 2
R 22 (12 22) p(x2)dx
R 1
P ( 1)(11 22) (21 11) p(x 1)dx (12 22) p(x2)dx
R 2
R 1
一旦R 1 和 R 2 确定，风险 R 就是先验概率 P (1 ) 的线性函数，可表
示为
RabP(1)
a22(1222) p(x2)dx
R 11P(1x)12P(2 x)p(x)dx
R1
21P(1x)22P(2 x)p(x)dx
R2
R11P(1)p(x1)12P(2)p(x2)dx
R 1
21P(1)p(x1)22P(2)p(x2)dx
R2
P (2 ) 1 P (1 ) p ( x 1 ) d x p ( x 1 ) d x 1
2.3 正态分布时的统计决策
贝叶斯分类器的结构可由条件概率密度 和先验概率来决定
最受青睐的密度函数——正态分布，也称 高斯分布
合理性：中心极限定理表明，在相当一般的 条件下，当独立随机变量的个数增加时，其 和的分布趋于正态分布
简易性
2.3.1 正态分布的定义及性质
单变量正态分布由两个参数完全确定，即 均值和方差
模式识别的目的就是要确定某一个给定 的模式样本属于哪一类
可以通过对被识别对象的多次观察和测
量，构成特征向量，并将其作为某一个
判决规则的输入，按此规则来对样本进 行分类
作为统计判别问题的模式分类
在获取模式的观测值时，有些事物具有 确定的因果关系，即在一定的条件下， 它必然会发生或必然不发生
例如识别一块模板是不是直角三角形，只要 凭“三条直线边闭合连线和一个直角”这个 特征，测量它是否有三条直线边的闭合连线 并有一个直角，就完全可以确定它是不是直 角三角形
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该项集的所有子集，即(X,Y), (X,Z), 与 (Y,Z)，均必须为频繁的。 如果某一子集(X,Y) 不频繁，则任何包含该子集的超集都不可能是频繁 的。 一旦找到k-频繁项集，就可生成关联规则: X, Y Z, ... ， X Y, Z, ... 可以从单项为后件，k-1项为前件开始，对于所有可能的单项后项规则， 如果其没有足够的置信度，则删除此规则。
错误的概率为：1-max(P(C=1|x1,x2),P(C=0|x1,x2)) 因此要计算P(C|x)，使用贝叶斯规则
4
贝叶斯规则
posterior
prior
likelihood
P C px|C P C | x px
evidence
PC 0 PC 1 1 px px|C 1PC 1 px|C 0PC 0 pC 0|x PC 1|x 1
11
效用理论
给定证据x，状态 Sk 的概率 : P (Sk|x) 当状态为Sk时采取行动αi的效用为: Uik 期望效用:
EU i | x
选择 α i
U ik P S k | x k 如果 EU i | x max j
EU j | x
对于分类，决策即为选择一个类，此时最大期望效用 等价于最小化期望风险
9
并且 P C i | x 1
判别式函数
选择 C i 如果 g i x max k g k x
gi x, i 1,, K
R i | x gi x P C i | x px | C P C i i
K 个决策域R1,...,RK
K
1
| x
6
损失与风险
行动: αi ----将输入分为类Ci的决策 当输入属于Ck类时，行动 αi 的损失为 : λik 行动的期望风险为：(Duda and Hart, 1973)
R i | x ik P C k | x k 选择行动 i 如果 R i | x
可以采用如下策略生成具有两个（及更多）项为后件的关联规则：若该 规则具有足够的置信度，则其对应的两个单项为后件的关联规则也要 具有足够的置信度。
16
Ri x|gi x maxk gk x
10
K=2 类时
两分器 (K=2) 与多重分类器 (K>2) g(x) = g1(x) – g2(x)
C 1 如果 g x 0 选择 C 2 否则
Log odds（胜算对数）:
P C1 | x log P C 2 | x
k i
损失与风险: 拒绝行动
ik
0 1 如果 i k 如果 i K 1, 否则 0 1
R K 1 | x PC k |x R i | x PC k |x 1 PC i |x
k 1 k i
1
K
min k R k | x
7
损失与风险: 0/1 损失
0 if i k ik 1 if i k
K
R i |x ik PC k |x PC k |x 1 PC i |x
为使风险最小, 要选择可能性最大的类
8
k 1
得到后验概率P(C|x),即可按前述方式进行预测
5
当类别数K>2 ，贝叶斯规则
px |C i P C i P C i | x px px |C i P C i K px|C k P C k
k 1
P C i 0 并且
选择 C i
P C i 1 i 如果 P C i | x max k P C k
南开大学 计算机与控制工程学院
Probability and Inference
投硬币的结果{正面，反面} 投币结果为唯一可观测量X {1,0}
X服从伯努利分布: P {X=i} = poX (1 ‒ po)(1 ‒ X) i取值为1或0，也就是P {X=1} = po , P {X=0} =1- po 事先并不知道P(X),做实验，而得数据，即 样本: X = {xt }Nt =1 估计: po = 结果为正面的投币次数/反面次数= ∑t xt / N 对于下次投币的预测即为: 正面， if po > ½ , 否则为反面
12
关联规则
关联规则是形如:X Y的蕴含式，前者称为前件，后
者为后件
购物分析：购买（喜欢，浏览，偿试）物品X, 也会购
买物品Y.
关联规则只意味着前件与后件相关联，并不表明两者
有因果关系
13
关联规则中的三个度量
支持度Support (X Y):
P X ,Y
# 购买 X 和 Y顾客 # 顾客
3
分类
信用评分输入为年收入X1与存款X2.
输出为低风险或高风险 输入变量为: x = [x1,x2]T ,输出: C {0,1} 预测:
或
C 1 如果 P(C 1 | x 1,x 2 ) 选择 C 0 否则
0. 5
C 1 如果 P(C 1 | x 1,x 2 ) P(C 0 | x 1,x 2 ) 选择 C 0 否则
置信度Confidence (X Y):
P X ,Y P Y | X P(X )
提升度 (X Y)（兴趣度）: P X ,Y P(Y | X ) P( X )P(Y ) P(Y )
# 购买 X 和 Y的顾客 # 购买 X的顾客
14
关联规则
K
最优决策规则是：
并且 R i | x R K 1 | x 拒绝, 否则
选择 C i 类， 如果对所有k i , R i | x R k | x
根据上式风险的计算，决策规则等价于：
选择 C i 类， 如果对所有 k i, P C i | x P C k | x 拒绝, 否则
如果是多个物品，如{X,Y,Z,W}是一个多项集，找出形如
X,Y,ZW的关联规则，上述度量也仍然适用。 著名的Apriori算法：两步工作 （1） 找出频繁项集，即具有够支持度的项集； （2）把频繁项集划分为两个子集，分别作为前件与 后件，生成具有足够置信度的关联规则
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Apriori 算法 (Agrawal et al., 1996)